CN105545279A - 一种天然气水合物的管输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气水合物的管输装置，包括井底套管、水力旋流器、ESP罐状容器系统、管道线路交换系统；所述水力旋流器、ESP罐状容器系统、管道线路交换装置从下到上依次连接，固定于井底套管中；所述水力旋流器包括旋流器进液口、旋流器溢流口、旋流器圆筒体、旋流器椎体、底流口；所述ESP罐状容器系统被隔断板分为上下两部分，包括容器入口、排液泵马达、气液分离器、排液泵；所述的线路交换系统包括流体输入管道、封隔器、管道线路交换装置、气体输送管道、流体输送管道。本发明通过水力旋流器、ESP罐状容器系统、管道线路交换装置实现了天然气水合物的固液气三相分离，将天然气采集输送到海面，同时排出固相和液相，提高开采效率。

Description

一种天然气水合物的管输装置

技术领域

本发明涉及海洋天然气水合物装备领域，具体涉及一种天然气水合物的管输装置。

背景技术

天然气水合物又称可燃冰，是由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质。是一种高密度、高热值的非常规能源1m³天然气水合物可以释放出64m³甲烷气和0.8m³水)，天然气水合物甲烷含量高，燃烧污染小。

天然气主要分布于水深大于300m的海洋及陆地永久冻土带沉积物中，其中海洋天然气水合物通常埋藏于海底以下0～1100m处，矿层厚数十厘米至上百米，分布面积数万到数十万平方米，其资源量是陆地冻土带的一百倍以上。据估计，全球天然气水合物的资源总量换算成甲烷气体约为1.8～2.1×10¹⁶立方米，相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的两倍。因此，天然气水合物特别是海洋天然气水合物被普遍认为将是21世纪替代煤炭、石油和天然气的新型的洁净的能源资源，同时也是目前尚未开发的储量最大的一种新能源。

作为一种新能源，天然气水合物的大量开采及输送也处于探索阶段，其中的一个主要的困难就是，无法有效的将海底天然气水合物输送到地面。天然气水合物开采普遍伴随泥沙，而且水合物含水量较大，容易造成管道结冰等情况，管输前需要三相分离；同时天然气水合物是一种温室气体，在大气中其温室效应是二氧化碳的25倍，一旦泄露势必导致全球气候变暖加剧。因此在管输过程中需要实现密封，严防泄露。因为上述技术难点，由于海底环境的多变和复杂性，目前还没有大规模的天然气水合物商业开采实践。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于：在天然气水合物开采过程中，提供一种天然气水合物分离及输送装置。该装置将混有泥浆的天然气水合物进行固液气三相分离，并将天然气和水分别用不同的管道输送到海面。本发明能高效率的收集海底天然气资源，满足大规模输送海底天然气水合物资源的需求。

一种天然气水合物的管输装置，包括井底套管、水力旋流器、ESP(电潜泵)罐状容器系统、管道线路交换系统；所述水力旋流器、ESP罐状容器系统、管道线路交换装置从下到上依次连接，固定于井底套管中；所述水力旋流器包括旋流器进液口、旋流器溢流口、旋流器圆筒体、旋流器椎体、底流口；所述ESP罐状容器系统被隔断板分为上下两部分，ESP罐状容器系统下半部分包括容器入口、排液泵马达，ESP罐状容器系统上半部分包括气液分离器、排液泵，所述气液分离器下方设有气液分离器入口，上方设有气液分离器排气孔，ESP罐状容器系统壁在隔断板下方壁面上部开有出气孔，ESP罐状容器系统上方壁面开有排气口并与气液分离器排气孔连通，ESP罐状容器系统顶部开有回流口，ESP罐状容器系统壁面与排液泵马达之间形成环空一；所述的线路交换系统包括流体输入管道、封隔器、管道线路交换装置、气体输送管道、流体输送管道，其中井底套管与流体输入管道形成环空二；所述的ESP罐状容器系统下端容器入口通过导管与水力旋流器上端的旋流器溢流口相连接，ESP罐状容器系统上端通过气液分离器管与管道线路交换装置的流体输入管道连接。

进一步的，所述ESP罐状容器系统在隔断板下方壁面上部开有的出气孔数量为3排，位于隔断板下方2～5cm处，3排出气孔之间间隔5cm，每排出气孔为4个，出气孔直径为2cm，沿ESP罐状容器系统轴心呈圆周分布；ESP罐状容器系统上方壁面开有的排气口为2个轴对称孔，分别与气液分离器上方设置的左右2个气液分离器排气孔连通；ESP罐状容器系统顶部开有回流口，沿ESP罐状容器系统轴心呈圆周分布，回流口边缘距离壁面边缘为0.5cm，数量为8个，回流口直径为2cm。

进一步的，所述排气口上设有开口朝外的单向阀，确保释放内部液体，隔绝外界气体。

进一步的，所述管道线路交换装置上的封隔器上下端均设有胶筒，胶筒在封隔器的压缩下膨胀，与井底套管紧密接触压实；以防天然气或水溢出，同时隔绝压力促使封隔器下方压力大于上方压力从而使天然气和水向上输送。

进一步的，所述气体输送管道和流体输送管道连接管道线路交换装置中轴，流体输送管道有一段长度为20cm管道安装在气体输送管道中，安装在气体输送管道中的流体输送管道的管径为本段气体输送管道的一半，然后气体输送管道和流体输送管道分离，分离后气体输送管道缩小为之前管径的60％，流体输送管道管径保持不变。

进一步的，所述井底套管管壁中埋设有动力电缆。

进一步的，所述ESP罐状容器系统所在的井底套管段井壁中埋设有加热电缆，对天然气水合物进行加热。

所述天然气水合物的管输装置的安装在海底防喷器下的套管中，使天然气水合物混合物按依次通过水力旋流器、ESP罐状容器系统、管道线路交换装置，在海底地面下的套管中完成气液分离，分离出的气体输送到海面，液体排放到海中。

本发明的优点在于：

1.本发明能将混有泥沙的天然气水合物混合物中进行固液分离，得到较为纯净的天然气水合物；

2.本发明能将天然气水合物进行气液分离，并将分离后的气液两相以不同的管道分别输送，从而更加方便效率地收集天然气；

3.本发明结构简单，动力机构少，在海底恶劣工况下不易损坏，减少检修更换频率，保障作业连续性，节约生产成本。

附图说明

图1是本发明的水力旋流器结构示意图；

图2是本发明的ESP罐状容器系统结构示意图；

图3是本发明的管道线路交换装置结构示意图。

图中，1是旋流器进液口，2是旋流器溢流口，3是旋流器圆筒体，4是旋流器椎体，5是底流口，6是井底套管，8是环空一，9是排液泵马达，10是出气孔，11是隔断板，12是气液分离器入口，13是气液分离器，14是排气口，15是气液分离器排气孔，16是排液泵，17是回流口，18是流体输入管道，19是环空二，20是管道线路交换装置，21是封隔器，22是气体输送管道，23是流体输送管道。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

如图1～图3所示，一种天然气水合物的管输装置，包括井底套管6、水力旋流器、ESP罐状容器系统、管道线路交换系统；所述水力旋流器、ESP罐状容器系统、管道线路交换装置从下到上依次连接(图中左上右下)，固定于井底套管6中；所述水力旋流器包括旋流器进液口1、旋流器溢流口2、旋流器圆筒体3、旋流器椎体4、底流口5；所述ESP罐状容器系统被隔断板11分为上下两部分，ESP罐状容器系统下半部分包括容器入口7、排液泵马达9，ESP罐状容器系统上半部分包括气液分离器13、排液泵16，所述气液分离器13下方设有气液分离器入口12，上方设有气液分离器排气孔15，ESP罐状容器系统壁在隔断板11下方壁面上部开有出气孔10，ESP罐状容器系统上方壁面开有排气口14并与气液分离器排气孔15连通，ESP罐状容器系统顶部开有回流口17，ESP罐状容器系统壁面与排液泵马达9之间形成环空一8；所述的线路交换系统包括流体输入管道18、封隔器21、管道线路交换装置20、气体输送管道22、流体输送管道23，其中井底套管6与流体输入管道18形成环空二19；所述的ESP罐状容器系统下端容器入口7通过导管与水力旋流器上端的旋流器溢流口2相连接，ESP罐状容器系统上端通过气液分离器13管与管道线路交换装置的流体输入管道18连接。

水力旋流器是本发明的除泥设备，能对混有泥沙的天然气水合物混合物进行初步分离，得到较为纯净的天然气水合物固液混合物；ESP罐状容器系统是本发明的气液分离装置，该装置能将天然气水合物混合物进行自然分离以及人工分离，以及将分离后的天然气和水以不同的管道输送；管道线路交换装置能将分离出的气体和水的输送管道交换，从而更加方便效率地收集天然气。

如图1所示，水力旋流器主要包括旋流器进液口1、旋流器溢流口2、旋流器圆筒体3、旋流器椎体4、底流口5。水力旋流器是是离心式旋流器，依靠固体与液体的密度差来进行固液分离。将混合液以一定的压力切向输送入旋流器进液口1，混合液沿旋流器圆筒体3壁面高速冲入并形成高速旋转流场，混合物中密度大的组分在旋流场的作用下沿轴向向下运动，同时沿径向向外运动，在到达旋流器椎体4沿器壁向下运动，并由底流口5排出，这样就形成了外漩涡流场；密度小的组分向中心轴线方向运动，并在中心轴线形成向上的内漩涡，通过内漩涡向旋流器溢流口2流动向上输送，这样就达到了分离的目的。

如图2所示，ESP罐状容器系统包括容器入口7、排液泵马达9、气液分离器13、排液泵16，可实现对天然气水合物的两相分离，并将天然气和水以不同的管道输送到海面，以避免天然气水合物的二次结晶。由于其结构的特殊性，可对经过初次除沙的天然气水合物混合流体进行自然分离。由图可知，该罐体中部用隔断板11隔出上下两部分，流体可通过与容器底部相连的旋流器溢流口2流入到容器的内部。容器的下部分内壁顶部开有3排出气孔10，每排出气孔10数量为4个,上下两排出气孔10对齐，中间一排出气孔10与上下两排出气孔10交错排布，供流入容器中的流体流出容器；其中系统的排液泵马达9位于容器的下半部分，排液泵马达9区域密封以防水。气液分离器13位于容器上半部分的底部封隔器的上方，排液泵16位于气液分离器的上半部分，容器上半部分的顶部开有回流口17，供流体流入。ESP罐状容器系统的工作原理是：天然气水合物混合流体由系统的底部流入容器下半部分内，经由出气孔10流出容器，流入ESP罐状容器系统与隔水管之间的环形区域并继续向上流动。当流体往上流经罐体的上部时，此处流体受到泵的作用减弱，天然气水合物混合流体中的天然气气体由于密度小继续向上流动，而溶有天然气的液体在重力作用下由回流口17流入系统内部上半部分空间，最终通过气液分离器13分离出溶于水中的天然气。天然气借由气液分离器13上方的气液分离器排气孔15排出，与混合流体一起往上流动。而水则通过泵的作用继续往上流动。这样就实现了天然气水合物的分离。在ESP罐状容器系统对应的井底套管6管段内设加热电缆，在天然气水合物输送的过程中产生一定的热量防止其二次结晶，同时在全部井底套管6管段内设有动力电缆，为排液泵16、加热电缆、水力旋流器入口泵及其他动力设备提供电源。

图3是管道线路交换装置系统示意图，该装置主要包括流体输入管道18、封隔器21、管道线路交换装置20、气体输送管道22、流体输送管道23。该装置能将在环空二19中流动的气体收集并通过气体输送管道22向海面上传输，而水流则通过流体输送管道23想上输送，流入节流汇管并最终排入海中。采用同轴管线设计气体输送管道22和流体输送管道23的初始出口，其目的是方便在管道线路交换装置20上设置电源适配器的线缆，避免因初始出口采用两条线路分别排出而占用更多空间，且采用多条线缆需要分别进行密封包装和固定，井下空间狭小、环境恶劣，不利于施工到位。为确保系统工作稳定，应尽量避免线路排布过于分散。

实施例：

本发明所述方法的一种实例流程是：海底的天然气水合物在海底环境下处于稳定的状态，当外界环境发生变化时，天然气水合物会由固态分解为液态和气态。海底采集的天然气水合物通常是气液混合物，混合物中一般混有一定量泥沙。本发明所述的一种天然气水合物的管输装置将天然气水合物混合物在水下进行固液气分离，然后将分离的天然气和水输送到海面。

首先通过减压法改变天然气的稳态，将含泥沙的天然气水合物混合物收集并输送到水力旋流器，通过离心力分离除去混合物中的泥沙，待处理的天然气水合物混合液从旋流器进液口1高速进入水力旋流器内，产生很高的角速度。在同一角速度下，固体与液体因密度差而产生不同的离心惯性力，密度较大的泥沙因为被甩向旋流器椎体4壁面内侧，而密度小的天然气水合物混合物液体和气体则靠近水力旋流器中心。泥沙被甩向旋流器椎体4壁面内侧的同时，还沿着旋流器椎体4壁面内侧螺旋式向下运动，最后由底流口5排到海底。水力旋流器中心处因液体的高速旋转而形成的低压螺旋上升流，大部分液体和气体随着上升流通过旋流器溢流口2向上输送。

天然气水合物混合物通过管道以及ESP的作用向上流动。天然气水合物混合物流体通过管道由ESP罐状容器系统下方的入口7进入容器的下半部分，该流体在容器内的环空一8继续往上流动，期间流体经过ESP系统的排液泵马达9严格密封以防止进水，流动到容器的中部封隔器11的下方，借由容器壁所开的小孔10流出容器外，在容器外壁与套管之间的环形空间区域继续往上流动。其中马达区域9在工作过程中产生一定量的热，能有效的防止天然气水合物的二次结晶。容器的上下部分由封隔器11隔开。当气液混合物流动到ESP罐状容器系统的顶部时，混合流体中的气体继续向上流动，而液体由于重力的作用经罐容器上方的回流口17流入ESP罐状容器系统上半部分内部，在容器上半部分内部往下流动，到达位于容器上半部分的底部，进入底部的气液分离器13。经气液分离器的作用将液体中溶解的气体分离出来，气体借由管壁上的排气口14排出容器外，排气口14设有单向阀门，防止外部液体流入，排出后的气体与从下半部分容器的流体汇合一起往上流动，在混合流经过容器顶部时，气体往上流动，而液体照先前所述流入容器的上半部分。经过气液分离器13分离的液体主要成分是水，经由容器的流体管道18向上传输，而天然气则在流体管道18和井底套管6之间的环形区域间向上流动。此外在隔水管壁的加热电缆也会产生一定的热量，避免了其二次结晶的风险。

经过气液分离之后的水流在流体管道18中向上流动，而天然气则经过处理进入流体管道18外与对应的井底套管6管段形成的环空二19，流体管道18与一个管道线路交换装置20相连。在该装置中经过管道线路交换，通过一个二元流头将分离出的气体从环空二19收集并使它流入气体输送管道22，最终通过气体输送管道22输送到海面甲板上进行收集。而水流通过该装置流入流体输送管道23向上流动最终通过节流汇管排入海中。其中装置上的封隔器21能防止流体在运输过程中的溢出，同时提供压力差，便于液体向上流动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本发明并不局限于上述方式，在不脱离本发明原理的前提下，还能进一步改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种天然气水合物的管输装置，其特征在于，包括井底套管(6)、水力旋流器、ESP罐状容器系统、管道线路交换系统；所述水力旋流器、ESP罐状容器系统、管道线路交换装置从下到上依次连接，固定于井底套管(6)中；所述水力旋流器包括旋流器进液口(1)、旋流器溢流口(2)、旋流器圆筒体(3)、旋流器椎体(4)、底流口(5)；所述ESP罐状容器系统被隔断板(11)分为上下两部分，ESP罐状容器系统下半部分包括容器入口(7)、排液泵马达(9)，ESP罐状容器系统上半部分包括气液分离器(13)、排液泵(16)，所述气液分离器(13)下方设有气液分离器入口(12)，上方设有气液分离器排气孔(15)，ESP罐状容器系统壁在隔断板(11)下方壁面上部开有出气孔(10)，ESP罐状容器系统上方壁面开有排气口(14)并与气液分离器排气孔(15)连通，ESP罐状容器系统顶部开有回流口(17)，ESP罐状容器系统壁面与排液泵马达(9)之间形成环空一(8)；所述的线路交换系统包括流体输入管道(18)、封隔器(21)、管道线路交换装置(20)、气体输送管道(22)、流体输送管道(23)，其中井底套管(6)与流体输入管道(18)形成环空二(19)；所述的ESP罐状容器系统下端容器入口(7)通过导管与水力旋流器上端的旋流器溢流口(2)相连接，ESP罐状容器系统上端通过气液分离器(13)管与管道线路交换装置的流体输入管道(18)连接。

2.如权利要求1所述的一种天然气水合物的管输装置，其特征在于，所述ESP罐状容器系统在隔断板(11)下方壁面上部开有的出气孔(10)数量为3排，位于隔断板下方2～5cm处，3排出气孔(10)之间间隔5cm，每排出气孔为4个，出气孔直径为2cm，沿ESP罐状容器系统轴心呈圆周分布；ESP罐状容器系统上方壁面开有的排气口(14)为2个轴对称孔，分别与气液分离器(13)上方设置的左右2个气液分离器排气孔(15)连通；ESP罐状容器系统顶部开有回流口(17)，沿ESP罐状容器系统轴心呈圆周分布，回流口边缘距离壁面边缘为0.5cm，回流口数量为8个，回流口直径为2cm。

3.如权利要求2所述的一种天然气水合物的管输装置，其特征在于，所述排气口(14)上设有开口朝外的单向阀，确保释放内部气体，隔绝外界液体。

4.如权利要求1所述的一种天然气水合物的管输装置，其特征在于，所述管道线路交换装置(20)上的封隔器(21)上下端均设有胶筒，胶筒在封隔器(21)的压缩下膨胀，与井底套管(6)紧密接触压实；以防天然气或水溢出，同时隔绝压力促使封隔器(21)下方压力大于上方压力从而使天然气和水向上输送。

5.如权利要求1所述的一种天然气水合物的管输装置，其特征在于，所述气体输送管道(22)和流体输送管道(23)连接管道线路交换装置(20)中轴，流体输送管道(23)有一段长度为20cm的管道安装在气体输送管道(22)中，安装在气体输送管道(22)中的流体输送管道(23)的管径为本段气体输送管道(22)的一半，然后气体输送管道(22)和流体输送管道(23)分离，分离后气体输送管道(22)缩小为之前管径的60％，流体输送管道(23)管径保持不变。

6.如权利要求1所述的一种天然气水合物的管输装置，其特征在于，所述井底套管(6)管壁中埋设有动力电缆。

7.如权利要求1所述的一种天然气水合物的管输装置，其特征在于，所述ESP罐状容器系统所在的井底套管(6)段井壁中埋设有加热电缆，对天然气水合物进行加热。